控制系統(tǒng)仿真設(shè)計

1、課程設(shè)計用紙課程設(shè)計任務(wù)書課程設(shè)計題目控制系統(tǒng)仿真設(shè)計功能 技術(shù)指標(biāo)使得電動車控制系統(tǒng)的系統(tǒng)在校正后 階躍響應(yīng)的超調(diào)量小于5%,調(diào)節(jié)時間小于4s。工作量二周工作計劃第一周學(xué)習(xí)如何使用MATLAB軟件與控制 系統(tǒng)的仿真等，第二周選擇課題然后進行分組查 詢資料，最后借助軟件對實驗題目進行編程矯正 和分析，使實驗達到題目要求的最優(yōu)化效果。指導(dǎo)教師評語課程設(shè)計用紙目錄第1章設(shè)計題目及要求1.1設(shè)計題目1.2要求第2章校正前系統(tǒng)性能2.1時域性能2.2頻域性能. 第3章校正環(huán)節(jié)設(shè)計.3.1校正方法選擇3.2控制參數(shù)整定 第4章校正后系統(tǒng)性能4.1時域性能 9104.2頻域性能結(jié)論心得體會11課程設(shè)計用紙

2、第1章設(shè)計題目及要求1.1設(shè)計題目：若系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及控制環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為G(s)=40 /(s(s+3) (s+6),設(shè)計校正裝置。電動車控制系統(tǒng)：某電動車控制系統(tǒng)如圖:1.2要求:系統(tǒng)在階躍響應(yīng)的超調(diào)量小于5%,調(diào)節(jié)時間小于4S。12第2章校正前系統(tǒng)性能2.1時域性能(1)、繪制未加入校正裝置的系統(tǒng)開環(huán)階躍響應(yīng)曲線，根據(jù)系 統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，程序如下：fun ctio n Tp,Mp ,Tr,Ts=ste pa(G) Y,t = ste p(G);cs=le ngth(t);yss=Y(cs);ctp,tp =max(Y);Tp=t(t p);Mp=100*(ct p-yss)/yss k

3、=cs+1;n=0;while n=0k=k-1;if Y(k)<0.98*yssn=1;endend t1=t(k);k=cs+1;n=0;while n=0k=k-1;if Y(k)>1.02*yssn=1;endend t2=t(k);if t1>t2Ts=t1;elseTs=t2;Endclear all;clear all;num=2.2;den=con v(1,0,co nv(0.3,1,0.17,1);sys1=tf( nu m,de n);sys2=feedback(sys1,1);figure(1);margi n(sys1)figure(2);ste p(

4、 sys2)Tp,Mp ,Tr,Ts=ste pa(sys2)Mp =25.8043Tp =1.5355Mp =25.8043Tr =1.0631Ts =4.6066Time (sec)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線圖2-12.2頻域性能由2.1節(jié)的程序可以得到系統(tǒng)的頻域曲線圖(2-2)如下所示Bode Diagram3Freque ncy (rad/sec)控制系統(tǒng)的頻域響應(yīng)曲線圖2-2MATLAB運行結(jié)果開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)=2.2 /( s (0.3s +1) ( 0.17S+1)Mp = 25.8043 Tp =1.5355Mp =25.8043 Tr =1.0631 Ts =4.6066系統(tǒng)

5、是穩(wěn)定的，但是響應(yīng)時間和超調(diào)量都較之題目要求大第3章校正環(huán)節(jié)設(shè)計3.1校正方法選擇由于題目要求系統(tǒng)階躍響應(yīng)的超調(diào)量小于5%，超調(diào)時間小于4S ,系統(tǒng)雖然穩(wěn)定，但是響應(yīng)時間較快和超調(diào)量較大，由于放 大系數(shù)K對超調(diào)量有影響，為此需要改變放大系數(shù) K的值來滿足 題目要求的預(yù)期值，根據(jù)系統(tǒng)的時域性能和頻域性能可知適合采 用比例-微分控制器（PD控制器）從比例環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)進行校 正，從物理的角度來分析，他可以降低系統(tǒng)的最大超調(diào)量，改變 動態(tài)性能，從頻率特性的角度來說，它可以增加系統(tǒng)的相角裕量， 是系統(tǒng)的震蕩減弱。校正環(huán)節(jié)的兩個轉(zhuǎn)折頻率設(shè)置在遠離校正后 系統(tǒng)剪切頻率的低頻段，利用之后網(wǎng)路的高頻幅值衰減特

6、性，使 校正后系統(tǒng)中頻段的幅頻將衰減|20lgb|dB，而其相頻可認(rèn)為不衰 減，因此校正后系統(tǒng)的剪切頻率將減小，在新的剪切頻率出獲得 較大的相角裕量，增加了穩(wěn)定性和高頻抗干擾的能力。3.2控制參數(shù)整定由3.1節(jié)的分析可得要調(diào)節(jié)到預(yù)期要求，可通過調(diào)節(jié)比例系數(shù) K和微分系數(shù)yss來改變系統(tǒng)的性能，利用 MATLAB軟件對選擇 合理參數(shù)進行逐次修改程序觀察校驗數(shù)據(jù)和結(jié)果，最終選擇了比 例系數(shù)K=3和微分控制系數(shù)為1.02，這樣滿足了系統(tǒng)的目標(biāo)要求 參數(shù)的選定。第4章校正后系統(tǒng)性能冃能4.1時域性能通過校正方法的選擇和控制參數(shù)的整定，校正后的程序如下 所示：clear all;num=3;den=co

7、n v(1,0,0.17,1);sys1=tf( nu m,de n);sys2=feedback(sys1,1);figured);margin( sys1)figure(2);ste p( sys2)Tp ,M p,Tr,Ts=ste pa(sys2)利用MATLAB校正后的運行結(jié)果為:Mp =4.7875Tp =1.0513Mp =4.7875Tr =0.7885Ts =1.4455滿足了 Mp=4.7875<5% , Ts=1.4455<4s，其階躍響應(yīng)曲線和頻域響應(yīng)曲 線為下圖所示。Step Response1.4A3U J - pmA000.20.40.60.811.2

8、1.41.61.82Time (sec)校正后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線4-14.2頻域性能校正后系統(tǒng)的頻域曲線如圖(4-2)所示，滿足題目要求eFreque ncy (rad/sec)MBode DiagramGm = Inf dB (at In f rad/sec) , Pm = 65.2 deg (at 2.72 rad/sec)校正后系統(tǒng)的頻域響應(yīng)曲線4-2結(jié)論我組做的電動車控制系統(tǒng)的超調(diào)矯正調(diào)節(jié)模型， 利用MATLAB軟 件畫出系統(tǒng)階躍響應(yīng)的時域圖和 bode圖，通過實驗驗證我增加了 PD 控制環(huán)節(jié)，并得到了以下結(jié)論，如果系統(tǒng)穩(wěn)定且僅需改變系統(tǒng)的超調(diào) 量和超調(diào)時間，根據(jù)三種調(diào)節(jié)類型和調(diào)節(jié)特點

9、，需要增加PD控制調(diào)節(jié)模型來滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)需求，通過實驗在軟件上選擇合理的參數(shù)進 行逐次校驗，觀察Mp、Tp、Tr和Ts，以及校正的階躍響應(yīng)曲線和頻 域響應(yīng)曲線，直到滿足題目要求為止。在滿足題目要求的基礎(chǔ)上進行 校正，糾正的過程和步驟必須根據(jù)實際需求，不可死板一成不變，選 定參數(shù)合理的利用MATLAB軟件，M-file文件進行調(diào)試程序，最后確 定Mp和Ts達到最優(yōu)控制，確定了最后的系統(tǒng)傳遞函數(shù)，在一定的范 圍內(nèi)滿足了性能指標(biāo)的范圍。心得體會通過這次對控制系統(tǒng)的滯后校正的設(shè)計與分析，讓我對PD校 正環(huán)節(jié)有了更清晰的認(rèn)識，加深了對課本的理解，對期末考試也 起到了積極的復(fù)習(xí)作用，而且讓我更進一步熟悉

10、了相關(guān)MALAB軟件的基本編程方法和使用方法。在這次的課程設(shè)計的過程中，從整體思路的構(gòu)建到具體每一 步的實現(xiàn)，過程并不是一帆風(fēng)順的，通過復(fù)習(xí)課本知識和查閱相 關(guān)資料確定了整體思路，然后通過演算計算出K值確定校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，最后運用 MATLAB軟件編程驗證、作圖。在 word編輯和 運用MATLAB軟件使用時遇到了一些問題，通過網(wǎng)絡(luò)查詢和詢問 同學(xué)也都得到了解決，提高了對課設(shè)軟件的應(yīng)用能力。本次課程設(shè)計的核心是 MATLAB軟件的使用，通過軟件編程，我 對MATLAB的語言和應(yīng)用又更近一步的了解，特別熟悉了一些對 自動控制的使用命令，如跟軌跡繪制函數(shù) rIocusO、時域圖step()、 伯德圖函數(shù)繪制bode()等。利用MATLAB對控制系統(tǒng)進行頻域分 析，大大簡化了計算機和繪圖步驟，是一款很實用的軟件